一種降低全斷面隧道掘進機施工振動的方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于隧道施工技術領域，特別涉及一種降低全斷面隧道掘進機施工振動的 方法。
【背景技術】
[0002] 目前，全斷面隧道掘進機施工中，設備振動已成為嚴重影響施工進度、工程成本甚 至威脅設備安全的實際難題。全斷面隧道掘進機在施工的隧道工程中的刀盤斷裂、大軸承 過渡點蝕等關鍵部件失效時有發生;據某工程實際統計，盤形滾刀的非正常磨損消耗已達 刀具消耗量的40%。這些現象的發生，與隧道掘進機施工中刀盤振動密切相關。為此，我們 通過實際工程測量和理論研究分析發現，一般全斷面隧道掘進機施工中，刀盤振動頻率與 其固有振動頻率較接近，這是造成上述現象的主要原因。為此，我們提出了全斷面隧道掘進 機刀盤固有振動頻率的確定方法，進而提出了降低全斷面隧道掘進機施工振動的方法，為 避免上述現象的發生提供了可靠依據。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的是提出一種降低全斷面隧道掘進機施工振動的方法，其特征在于， 包括：
[0004] (1)將加速度傳感器固結到刀盤支承殼體上，通過電纜連接到駕駛室中的電荷放 大器、數據采集測試儀，最后連接到PC上顯示刀盤的固有振動頻率；
[0005] (2)計算刀盤的固有振動頻率，根據全斷面隧道掘進機刀盤上刀具布置基本對稱， 則全斷面隧道掘進機刀盤的振型函數取為：
[0006] W=F(r)cos ηθ
[0007] 式中：η為刀盤上徑向節線數;n = 0,1，2,......。11 = 0，刀盤振形是軸對稱的。η= 1及 η = 2,刀盤的環向圍線將分別有一個及兩個波，即：刀盤中面分別有一根和兩根徑向節線， 其余類推；
[0008] 通過理論建模和求解，得到刀盤的固有振動頻率為：
[0010] 式中，r-振動點距刀盤中心的距離；γ-常數，且：
，η為刀盤上徑向節線 數；ω-刀盤固有振動圓頻率；w-刀盤單位面積的質量;D-刀盤彎曲剛度;N為大于等于零 的整數。
[0011] (3)駕駛員從PC上看到振動頻率接近上述振動頻率時，通過加大推力或(和)扭矩 快速通過刀盤的固有振動頻率，或通過降低推力或(和)扭矩遠離此固有振動頻率的數值， 全斷面隧道掘進機避開在這些振動頻率附近作業。
[0012] 所述步驟(2)計算刀盤的固有振動頻率，具體過程為：
[0013] 根據全斷面隧道掘進機刀盤上刀具布置基本對稱，則全斷面隧道掘進機刀盤的振 型函數取為：
[0014] W=F(r)cos ηθ
[0015] 式中：η為刀盤上徑向節線數;n = 〇, 1，2,......。11 = 0，刀盤振形是軸對稱的。η= 1及 η = 2,刀盤的環向圍線將分別有一個及兩個波；
[0016]通過理論建模和求解，其振型的常微分方程為：
[0018] 式中：r_振動點距刀盤中心的距離；γ_常數，且：
[0019] ω-刀盤固有振動圓頻率；^ -刀盤單位面積的質量;D-刀盤彎曲剛度，
[0020]
其中，E-刀盤材料彈性模量;t_刀盤厚度;μ-刀盤材料泊松比；
[0021] 設X= yr，則上述方程可化為：
[0025]當r = r〇時，ro是刀盤的支撐半徑，所以有
[0038] 本發明有益效果是提出了全斷面隧道掘進機刀盤固有振動頻率的確定方法，為降 低全斷面隧道掘進機施工振動，為避免造成事故隱患的發生提供了可靠依據。
【附圖說明】
[0039] 圖1為檢測全斷面隧道掘進機刀盤固有振動頻率示意圖。
【具體實施方式】
[0040] 本發明提出一種降低全斷面隧道掘進機施工振動的方法，包括：
[0041] (1)將加速度傳感器固結到刀盤支承殼體上，通過電纜連接到駕駛室中的電荷放 大器、數據采集測試儀，最后連接到PC上顯示刀盤的固有振動頻率(如圖1所示）；
[0042] (2)計算刀盤的固有振動頻率，根據全斷面隧道掘進機刀盤上刀具布置基本對稱， 則全斷面隧道掘進機刀盤的振型函數取為：
[0043] ff=F(r)cos ηθ
[0044] 式中：η為刀盤上徑向節線數;η = 0,1，2,......。11 = 0，刀盤振形是軸對稱的。n= 1及 η = 2,刀盤的環向圍線將分別有一個及兩個波，即：刀盤中面分別有一根和兩根徑向節線， 其余類推；
[0045] 通過理論建模和求解，得到刀盤的固有振動頻率為：
[0047] 式中，r_振動點距刀盤中心的距離；γ_常數，且：
，η為刀盤上徑向節線 數；ω-刀盤固有振動圓頻率；$ -刀盤單位面積的質量;D-刀盤彎曲剛度;N為大于等于零 的整數。
[0048] (3)駕駛員從PC上看到振動頻率接近上述振動頻率時，通過加大推力或(和)扭矩 快速通過刀盤的固有振動頻率，或通過降低推力或(和)扭矩遠離此固有振動頻率的數值， 全斷面隧道掘進機避開在這些振動頻率附近作業。
[0049] 實施例
[0050] 以直徑為5.75m、厚度t = 0.25m的刀盤為例，重量2.3噸，則:D = 2.877 X 108Nm，m = 88·57kg/m2，r〇 = 0.4X5.75/2 = 1.15m代入上式得該刀盤的自然頻率：ωNn = 13450X (N+n/ 2)2 ω Q1 = 3362Hz、ω 1()= 13450Hz、ω n = 30262Hz、……這里給出了該刀盤三個低頻率，即： 全斷面隧道掘進機只要避開在這些振動頻率附近作業，其振動就會大幅減小，且能避免關 鍵零部件的非正常失效。
[0051]實際實施中，將加速度傳感器固結到刀盤支承殼體上，通過電纜連接到駕駛室中 的電荷放大器、數據采集測試儀，最后連接到PC上(見附圖所示），駕駛員從PC上看到振動頻 率接近上述振動頻率時，可通過加大推力或(和)扭矩快速通過此數值，或通過降低推力或 (和)扭矩遠離此數值。
【主權項】
1. 一種降低全斷面隧道掘進機施工振動的方法，其特征在于，包括： (1) 將加速度傳感器固結到刀盤支承殼體上，通過電纜連接到駕駛室中的電荷放大器、 數據采集測試儀，最后連接到PC上顯示刀盤的固有振動頻率； (2) 計算刀盤的固有振動頻率，根據全斷面隧道掘進機刀盤上刀具布置基本對稱，則全 斷面隧道掘進機刀盤的振型函數取為： W=F(;r)cos η白 式中：η為刀盤上徑向節線數;η = 0,1，2, ；η = 0，刀盤振形是軸對稱的，η = 1及η = 2,刀盤的環向圍線將分別有一個及兩個波，即：刀盤中面分別有一根和兩根徑向節線，其余 類推； 通過理論建模和求解，得到刀盤的固有振動頻率為：、 / 式中，r-振動點距刀盤中屯、的距離；丫-常數，且：，η為刀盤上徑向節線數； ω-刀盤固有振動圓頻率；品-刀盤單位面積的質量;D-刀盤彎曲剛度;Ν為大于等于零的整 數； (3) 駕駛員從PC上看到振動頻率接近上述振動頻率時，通過加大推力或/和扭矩快速通 過刀盤的固有振動頻率，或通過降低推力或/和扭矩遠離此固有振動頻率的數值，全斷面隧 道掘進機避開在運些振動頻率附近作業。2. 根據權利要求1所述一種降低全斷面隧道掘進機施工振動的方法，其特征在于，所述 步驟(2)計算刀盤的固有振動頻率，具體過程為： 根據全斷面隧道掘進機刀盤上刀具布置基本對稱，則全斷面隧道掘進機刀盤的振型函 數取為： W=F(;r)cos η白 式中：η為刀盤上徑向節線數;η = 0,1，2, ；η = 0，刀盤振形是軸對稱的，η= 1及η = 2，刀盤的環向圍線將分別有一個及兩個波； 通過理論建模和求解，其振型的常微分方程為：式中:r-振動點距刀盤中屯、的距離；丫-常數，且ω -刀盤固有振動圓頻率刀盤單位面積的質量;D-刀盤彎曲剛度， 且：I其中，Ε-刀盤材料彈性模量;t-刀盤厚度;μ-刀盤材料泊松比； 設x= 丫 r，則上述方程可化為：
【專利摘要】本發明公開了屬于隧道施工技術領域的一種降低全斷面隧道掘進機施工振動的方法。首先計算刀盤的固有振動頻率，根據全斷面隧道掘進機刀盤上刀具布置基本對稱，則全斷面隧道掘進機刀盤的振型函數，通過理論建模和求解,得到刀盤的固有振動頻率，通過加大推力或(和)扭矩快速通過刀盤的固有振動頻率，或通過降低推力或(和)扭矩遠離此固有振動頻率的數值，全斷面隧道掘進機避開在這些振動頻率附近作業。本發明提出了全斷面隧道掘進機刀盤固有振動頻率的確定方法，為降低全斷面隧道掘進機施工振動、為避免造成事故隱患的發生提供了可靠依據。
【IPC分類】G06F17/50, E21D9/00, E21D9/11
【公開號】CN105550415
【申請號】CN201510897722
【發明人】張照煌, 龔國芳, 高青風, 孫飛
【申請人】華北電力大學
【公開日】2016年5月4日
【申請日】2015年12月8日